基于 SolidWorks的吊装平衡梁静力学特性分析及结构优化 摘要：平衡梁为吊装机具的重要组成部分，在起重工程中被广泛应用。平衡梁又称铁扁担，可用于保持被吊设备的平衡，避免吊索损坏设备，减小起吊高度，减少设备起吊时所承受的水平压力，避免损坏设备。针对某化工厂汽轮机转子吊装平衡梁进行静力学特性分析，计算平衡梁最大静变形和最大静应力，在满足吊装要求的基础上，利用有限元分析软件对平衡梁进行结构优化，实现轻量化设计，减轻平衡梁重量。 关键词：平衡梁；有限元分析；静力学特性；轻量化设计
一、引言
某化工厂空分装置有两套空压机组，机组由德国西门子公司设计制造的SST-600全凝式汽轮机、STC-SR 450-10V6-2型空压机、STC-GV(20-5-H)型增压机组成。汽轮机通过“一拖二”形式，同时驱动空压机与增压机，检修过程中采用平衡梁对汽轮机转子进行吊装，如图1所示。
图1 平衡梁吊装汽轮机转子
汽轮机转子及平衡梁规格参数如表1所示。
表1 汽轮机转子及平衡梁规格参数
| 汽轮机转子 | 平衡梁 |
重量（kg） | 15000 | 1200 |
马红妹长度（m） | 5 | 7.5多普勒效应 |
| | |
为分析平衡梁结构是否满足吊装要求，避免平衡梁结构笨重、材料浪费、强度和刚度存在较大富裕量等问题，利用有限元分析软件对平衡梁进行结构轻量化研究。
二、平衡梁的结构和载荷分布
平衡梁是由两根横梁、吊具及若干筋板组成，横梁采用槽钢加工制作，如图2所示。 图2 平衡梁三维实体模型
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已主要受力部件横梁为研究对象，如下图3（左）所示，其横梁结构和受力具有对称性，只取一根横梁的二分之一加以研究。由于一些细小特征对横梁变形影响较小，所以在保证零件结构的基础上对模型进行适当的简化，如下图3（右）所示。
图3 横梁三维实体模型及简化模型
槽钢规格选用40#C，其截面尺寸大小为400×104×14.5mm，槽钢材质为Q235，其材料力学性能如下表2所示。
表2 Q235材料力学性能
材料 | 泊松比 | 密度/kg·m-3 | 屈服强度/MPa |
Q235 | 0.28 | 7850 | 235 |
| | | |
以一根横梁的二分之一为研究对象，将横梁简化为简支梁，L=7.5/2=3.75m，横梁所受重力m=15/4=3.75t，横梁受力简图如下图4所示。
图4 横梁受力简图
三、基于SolidWorks的平衡梁结构静态分析
利用有限元分析软件SolidWorks对研究对象施加约束和受力，计算结束后查看横梁应力及应变图解，如图5所示。
求是图5 横梁所受应力云图（左）、应变云图（右）
查看横梁应力及应变云图，可得横梁所受最大应力值及最大变形量，如表3所示。
表3 横梁所受最大应力值、最大变形量
规格 | 最大应力σ(MPa) | 最大变形（mm） |
槽钢40#C | 200.6 | 2.329 |
冷带 | | |
一般取安全系数n=1.5，依据Q235材质屈服强度，其许用应力值[σ]=157MPa，可知横梁的最大应力比其许用应力值[σ]略大，就平衡梁整体而言，其强度在安全范围内，满足强度使用要求[3]。横梁所受的最大变形量小于其最大静挠度fmax=L/1000，满足刚度使用要求[1，4]。
但是平衡梁存在重量大、其静刚度和强度不高等因素，为了提高其刚度、强度，减少平衡梁重量，增强其抵抗变形的能力，应考虑对平衡梁进行轻量化设计。
四、平衡梁结构优化
保持横梁尺寸不变，为减少平衡梁重量，槽钢规格选用40#A，截面尺寸大小为400×100×10.5mm,将横梁两端布置15mm厚纵横交错的筋板，用以提高平衡梁的刚度和强度，优化后的横梁如图6所示。
图6 优化后的横梁
刘锡山利用有限元分析软件SolidWroks对优化后的横梁进行静力学分析，计算结束后查看横梁的应力及应变图解，如图7所示。
图7 优化后横梁所受应力云图（左）、应变云图（右）
查看优化后横梁应力及应变云图，可得横梁所受最大应力值及最大变形量，如表4所示。
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